Science期刊盤點2018年十大科學突破

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谷 君 說

今年的十大科學突破包括來自遙遠星系的信使，解析分子結構變得簡單，冰河時代大碰撞，科學界的女性性騷擾現象發生好轉，古人類的混血兒，法醫譜系學日益成熟，基因沉默藥物獲批上市，窺探原始世界的分子窗口，細胞利用相分離機制調控它的內含物。

十大科學突破

文/towersimper

每年年底，Science期刊都會評選出十大科學突破。

本周（12月20日）Science期刊公布了該期刊評選出的2018年度十大科學突破，今年的Science十大科學突破之首是單細胞水平下的細胞譜系追蹤（去年為首次觀測到雙中子星併合）。

01

單細胞水平下的細胞譜系追蹤

至少從古希臘醫藥之父希波克拉底的時代開始，生物學家們就對單個細胞發育成具有多個器官和數十億個細胞的成年動物的過程到好奇。

這名古希臘醫生猜測來自母親呼吸的水分有助於塑造嬰兒的發育，但是如今我們知道這種助推嬰兒發育的力量是DNA，它最終協調細胞增殖和特化的過程。

通過將多種技術相結合，科學家們能夠揭示出單個細胞中的基因何時開啟，從而指示細胞發揮它們的特殊作用。

結果就是以驚人的細節、逐個細胞地和實時地追蹤有機體和器官的發育。

Science期刊越來越多地認識到技術結合的力量，及其在促進基礎研究和醫學進步方面的潛力，因此，將單細胞水平細胞譜系追蹤技術評選為2018年十大科學突破之首。

胚胎髮育早期的斑馬魚胚胎。熒游標志物突出表達基因的細胞，這些基因有助於確定它們變成的細胞類型，圖片來自Jeffrey Farrell, Schier Lab/Harvard University。

推動這些進步的技術是從活的有機體中分離出數千個完整的細胞，高效地對每個細胞中表達的遺傳物質進行測序，並使用計算機或者對細胞進行標記，重建它們在空間和時間上的關係。

德國馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心系統生物學家Nikolaus Rajewsky說，今年發表在Science期刊上的三種技術「將改變未來十年的研究」。

多個研究團隊分別採用其中的一種技術來詳細描述了斑馬魚（zebrafish）、熱帶爪蟾（Xenopus tropicalis）、地中海圓頭渦蟲（Schmidtea mediterranea）和其他有機體如何開始形成器官和附屬物。

世界各地的研究團體正在利用這些技術研究人類細胞在一生當中如何成熟，組織如何再生，以及細胞在疾病中如何發生變化。

分離出數千個細胞並對每個細胞的遺傳物質進行測序的能力讓科學家們了解某個時刻每個細胞中正在產生的RNA。

鑒於RNA序列對產生它們的基因具有特異性，科學家們能夠觀察到哪些基因是活性的，這些有活性的基因決定著細胞的作用。

今年4月，一個研究團隊開發出一種被稱作InDrops的單細胞測序技術，從而能夠每次一個細胞地捕獲斑馬魚和熱帶爪蟾胚胎中每個細胞的基因表達數據。

他們在24小時內的多個時間點收集來自這兩種模式生物的成千上萬個細胞的基因表達數據。

當胚胎髮育時，為了繪製每個細胞的譜系圖譜和確定標誌著新的細胞狀態和類型的基因表達事件的準確順序，另一個研究團隊開發了新的實驗和計算技術---TracerSeq，即導入人工DNA條形碼來追蹤細胞之間的譜系關係。

再者，還有一個研究團隊利用一種被稱作Drop-Seq的單細胞測序技術在高時間解析度下研究斑馬魚胚胎12多個小時。

他們利用計算方法URD重建出胚胎髮育中的細胞軌跡。他們分析了斑馬魚胚胎髮育早期的38000多個細胞，並開發了揭示當25種細胞類型發生特化時，它們的基因表達發生變化的細胞「家族樹」。

通過將這些數據與空間推理相結合，他們還能夠重建早期斑馬魚胚胎中的各種細胞類型的空間起源。

此外，一個研究團隊利用單細胞RNA測序技術Drop-seq系統性地分析了地中海圓頭渦蟲（Schmidtea mediterranea）的66783個細胞，揭示出一個完整有機體每個細胞的轉錄組圖譜。

另一個研究團隊將單細胞RNA測序技術Drop-seq與計算方法PAGA和velocyto相結合，構建出地中海圓頭渦蟲的詳細細胞圖譜，並重建出所有被鑒定出的細胞的譜系樹。

02

遙遠星系的信使

來自遙遠宇宙的少數信使不斷地加入望遠鏡能夠收集的光子之列，它們有助揭示光線無法揭示的現象。

近年來，科學家們利用稱為宇宙射線和引力波的高速粒子探究宇宙的奧秘。

今年，又有一個信使加入了：中微子，即微小的幾乎沒有質量的高能顆粒，它是非常難以檢測到的，因而也被稱為幽靈粒子。

埋藏在南極冰下面的檢測器記錄到由中微子觸發的罕見閃光，圖片來自Jamie Yang and Savannah Guthrie/IceCube/NSF。

今年7月，IceCube團隊利用美國宇航局的費米伽瑪射線太空望遠鏡首次證實南極高能幽靈粒子來自一類非常明亮的類星體---耀變體（blazar）。

耀變體的中心內部潛藏著一個巨大的黑洞，釋放出的輻射能夠直抵地球。

也就是說，這種高能宇宙中微子來自銀河系外。這一發現不僅證實耀變體是高能中微子的一種來源，而且還建立了一個全新的研究領域：多信使中微子天體物理學。

科學家將使用不同類型的探測器共同研究同一現象。IceCube團隊期待發現更多的來自銀河系外的信使。

03

解析分子結構變得簡單

幾十年來，解析分子結構的金標準一直是X射線晶體衍射技術，它涉及對一種分子的晶體進行X射線照射。

然後，研究人員追蹤X射線在晶體上的衍射方式，從而識別分子中的單個原子並在分子中分配它們的位置。

這些結構對於理解生物分子的行為以及藥物如何與它們相互作用具有無法估量的價值。

然而，這種技術需要培養出大約一粒沙子大小的晶體，這可能是解析某些分子結構的主要障礙。

如今在電子顯微鏡載玻片上可獲得微米級大小的晶體（黑色）的結構，圖片來自Gonen Lab。

近年來，研究人員通過用電子束代替X射線來改進這種衍射技術。讓電子束轟擊靶生物分子（通常是蛋白）的片狀二維晶體。

但在某些情況下，這些薄片彼此堆疊在一起，從而產生不適用於常規電子衍射的三維晶體，而且所產生的三維晶體對於X射線衍射而言太小了。

今年10月，一個來自美國的研究小組[8]和一個來自德國的研究小組開發出能夠在幾分鐘內解析出有機化合物分子結構的新方法，相比之下，傳統方法需要幾天、幾周甚至幾月的時間。

他們在一個旋轉檯上讓電子束轟擊微小的三維晶體，並追蹤每次微小的旋轉時產生的衍射圖案變化。

這種技術在幾分鐘內產生微觀三維晶體（大小僅為開展X射線研究所需的尺寸的十億分之一）的分子結構。

這種新技術非常適合用於確定激素和潛在藥物等小分子的結構，應當對從新葯的合成和發現到分子探針設計再到研究和追蹤疾病等領域產生深遠的影響。

04

冰河時代大碰撞

一顆小行星就像一連串核彈那樣撞上了格陵蘭島的西北部，立即蒸發岩石，並在北極上空產生衝擊波。

它在海華沙冰川（Hiawatha Glacier）留下的一個31公里寬的撞擊坑（即海華沙撞擊坑）足以容納美國華盛頓特區。

在通過飛機雷達發現潛伏在千米厚的冰蓋下方的這個撞擊坑之後，科學家們在今年 11月取得了驚人的發現。

利用計算機模擬小行星碎片撞向格陵蘭島，圖片來自NASA Scientific Visualization Studio。

海華沙撞擊坑是地球上最大的25個撞擊坑之一。

雖然不像6600萬年前在墨西哥產生一個200公里寬的隕石坑並導致恐龍毀滅的希克蘇魯伯（Chicxulub）撞擊那樣帶來巨大災難性，海華沙撞擊可能對全球氣候產生巨大影響。

來自海華沙衝擊的冰川融水湧入北大西洋，這可能通過阻斷給歐洲西北部帶來溫暖的洋流傳送帶而使得溫度驟降。

海華沙撞擊坑中的深冰受到的干擾提示著這顆小行星可能在13000年前發生過撞擊。

這將使得這次撞擊與新仙女木事件（Younger Dryas）存在關聯，其中新仙女木事件是一個持續千年的全球降溫事件，始於最後一個冰河時代，當時世界正在解凍。

這可能就為充滿爭議的新仙女木撞擊理論提供了證據。

但是海華沙撞擊的確切時間遠未解決。格陵蘭島其他地方的冰芯，記錄了過去10萬年的變化，但並不含有任何撞擊碎片的跡象。

一個確切的答案將取決於艱苦的工作以便通過從冰下掃下來的微小礦物晶體進行放射性時鐘測量來確定撞擊時間。

05

科學界的女性性騷擾現象發生好轉

科學界的性騷擾一直被低估了，並且在很大程度上被忽視了。但是，今年，這種情形出現了變化的跡象。

今年6月，美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學院發布了一份關於學術科學、工程學和醫學領域女性性騷擾的具有里程碑意義的報告，這可能是一個分水嶺。

根據兩個大型大學系統的最新數據得出的結論是，根據所處的職業階段和領域，超過50％的女教職員工和20％～50％的學生遭受性騷擾。

包括最普遍的性騷擾形式---口頭上的性別歧視和非口頭上的性別歧視：羞辱，而不是性暗示。今年，一些機構採取了行動。

圖片來自Daria Kirpach/@Salzmanart。

在新聞曝光或受到性騷擾的學生和教職員工的正式投訴的推動下，一些機構在調查後確認這種不道德行為的指控後解僱了傑出的科學家，或者迫使他們離職。其他機構宣布了政策變化。

今年9月，位於弗吉尼亞州亞歷山大市的美國國家科學基金會（NSF）主任France Co?rdova表示，在未來，一旦一名資金資助獲得者在性騷擾調查期間休假或被判犯有性騷擾罪時，該資金資助獲得者所在的大學必須告訴它，這樣NSF就有可能「採取針對性的懲罰措施」。

鑒於科學界未能保護性騷擾受害者，Córdova宣稱：「這種疏忽必須結束」。

同月，出版Science期刊的美國科學促進會（AAAS）採取了一項政策，根據這項政策，經證實是性騷擾者的AAAS會士會被剝奪這一終身榮譽。

美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學院的院長在今年5月份承諾將探討如何剝奪已得到證實的性騷擾者的有聲望的頭銜。

6

古人類的混血兒

在俄羅斯丹尼索瓦洞穴發現的一塊古人類骨塊，圖片來自Thomas Higham/University of Oxford。

2018年8月，來自德國馬克斯-普朗克演化人類學研究所的研究人員在Nature期刊上發文指出對俄羅斯丹尼索瓦洞穴（Denisova Cave）中的一塊稱為丹尼索瓦人11號（Denisova 11）的古人類骨塊進行基因組測序後發：

該骨塊來自一位尼安德特人女性和一名丹尼索瓦人男性的後代，而且屬於一名至少13歲的年輕女性，她死於5萬多年前的歐亞大陸東部。

這一發現表明給出了尼安德特人與丹尼索瓦人混血交配的直接證據，不過這兩個種群依然具有明顯的遺傳差異，這可能是因為發生有限的遺傳交流。

7

法醫譜系學日益成熟

1970年代和1980年代在加利福尼亞州發生一系列強姦和謀殺事件，它是最為棘手的案件之一。

今年4月，美國警方宣布他們逮捕了一名嫌疑人。這個進展是令人吃驚的，而且調查人員找出這名所謂的金州殺手的方式也是令人吃驚的。

他們通過將從一個犯罪現場中找到的DNA圖譜上傳到一個公共家譜DNA資料庫來鑒定出他的親屬。

此後，執法機構利用這一策略破解了大約20起其他的棘手案件，由此開闢了一個新的領域：法醫譜系學（forensic genealogy）。

Joseph James DeAngelo就是所謂的金州殺手，圖片來自Paul Kitagaki Jr./The Sacramento Bee via AP/Pool。

私人DNA網站，如Ancestry和23andMe，包含數百萬個可用於從相同的DNA片段中找到一個人的親屬的DNA圖譜，但是警方需要法院命令才能搜索它們。

在這個金州殺人案中，當局尋求一個公共的經濟實惠的名為GEDMatch的在線資料庫，它由德克薩斯州和佛羅里達州的兩個業餘譜系學家運行，任何人都可以給這個資料庫提交DNA測試結果。

調查人員將來自強姦工具中的DNA圖譜上傳到這個資料庫，並找到了這名犯罪者的幾個遠房親屬。

通過與一位譜系學家合作，他們使用公眾檔案建造大型譜系樹，並鎖定73歲的年齡和居住地點與一些罪行相符合的Joseph James DeAngelo。

當測試顯示犯罪現場的DNA與DeAngelo的車門把手和丟棄的組織的DNA相匹配時，他們就確定他是這名金州殺手。

今年秋季，遺傳學家報道了60％的歐洲裔美國人（他們是大多數譜系網站的用戶）將在一個擁有100萬個樣本的資料庫---大約相當於GEDMatch的大小---中找到他們的第三代堂表兄妹或更親的親屬。

一旦一個資料庫擁有300萬個DNA圖譜，利用這種策略能夠找到90%以上的白人，即便他們從未接受過DNA測試。

所有這些讓一些倫理學家和遺傳學家感到恐慌，他們認為這些家族性搜索是對隱私的侵犯，而且可能會導致對嫌疑人的誤認。

08

基因沉默藥物獲批上市

一種基於稱為RNA干擾（RNAi）的基因沉默機制的藥物今年獲得了監管部門的批准。這個期待已久的步驟可能是靶向致病性基因的新一類藥物的前兆。

短RNA分子結合到mRNA（藍色）上，阻止mRNA翻譯為蛋白，圖片來自Val Altounian/Science。

二十年前，兩位美國遺傳學家發現短RNA分子能夠通過結合到將基因信息攜帶到細胞的蛋白製造工廠（即核糖體）的mRNA上來破壞基因表達。

這一進展讓他們贏得了諾貝爾獎，但是將它轉化為藥物的努力很快就遇到了障礙。

科學家努力讓這些脆弱的RNA分子保持完整並將它們引導到正確的組織。

2008年，總部位於馬薩諸塞州劍橋市的Alnylam製藥公司（Alnylam Pharmaceuticals）的研究人員認為他們有一個解決方案：一種脂質納米顆粒，能夠保護這些用於基因沉默的RNA分子並將它們運送到肝臟。

他們希望，在那裡，它能夠通過阻斷一種錯誤摺疊蛋白的產生來治療一種稱為遺傳性轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性（hereditary transthyretin amyloidosis）的罕見疾病。

在這種疾病中，這種錯誤摺疊蛋白堆積並導致心臟和神經遭受損傷。

Alnylam製藥公司研發總裁Akshay Vaishnaw說，「我們以極快的速度和較大的熱情開發這種藥物。」

但是，這種新的納米顆粒沒有向肝細胞釋放足夠的RNA，從而未能在所有患者中有效地抑制致病基因表達。

一種更有效的配方在人體臨床試驗中發揮作用，成為靜脈注射藥物Onpattro (patisiran)，並在今年獲得了美國和歐盟監管機構的批准，並以每年45萬美元的標價進入市場。

09

窺探原始世界的分子窗口

今年，科學家們發現了生活在五億多年前的生物的分子痕迹，使得他們對孕育了地球上最早的一些動物的神秘世界的認識更加清晰。

他們在一些已知的最奇怪的化石---稱為埃迪卡拉動物（Ediacarans）的神秘生命形式---中發現了脂肪分子的特徵，此外，他們還發現海綿動物早在它們出現在化石記錄之前就已存在的分子證據。

狄更遜水母化石含有膽固醇樣分子的痕迹，這是動物生命的一種象徵。圖片來自D. Grazhdankin。

70多年來，科學家們對埃迪卡拉動物化石令人眼花繚亂的形狀感到困惑。有些埃迪卡拉動物化石像葉子或葉狀體；其他的埃迪卡拉動物化石看起來不像是其他曾經生活在地球上的生物。

是生活在古代海洋的植物嗎？動物？還是一些完全不同的沒有存活下來的生命形式？

澳大利亞國立大學的研究人員想知道他們是否能夠從一些特殊的化石中獲得化學線索，這些化石儘管已有5.5億年的歷史，仍然保留了一種看起來像有機材料的薄膜。

這些化石來自俄羅斯西北部白海岸邊的懸崖，那裡的岩石逃避了可以抹掉這些分子痕迹的熱量和壓力。

這些研究人員首先在一組稱為Beltanelliformis的小型圓形埃迪卡拉動物化石上測試了這一想法。

他們從岩石中取出這種薄膜，溶解它，並使用氣相色譜和質譜法尋找保存下來的有機分子。

他們在今年1月份報道，他們發現了高水平的藿烷（hopane）分子，這些分子提示著這些圓形化石是藍細菌菌落。這一成功使他們有勇氣嘗試一種稱為狄更遜水母（Dickinsonia）的生物化石，這是最為知名的埃迪卡拉動物物種之一。

它是橢圓形的，大約半米長，類似於絎縫浴墊（quilted bath mat）。今年9月，他們報道狄更遜水母化石含有膽固醇樣分子，這是動物生命的一種特徵。

這與其他的證據相一致，這可能表明至少一些埃迪卡拉動物是地球上最早的動物之一。

今年10月，另一個研究小組在距今6.35億到6.6年億之間的岩石層中發現了如今僅由海綿動物產生的分子的痕迹。

這一發現表明作為另一種形式的動物生命，海綿生物進化的時間可能比它們的最古老的可辨認的化石早1億年。

10

細胞利用相分離機制調控它的內含物

細胞中的多種作用物如何在正確的位置和時間聚集在一起執行關鍵功能？生物學家們越來越意識到答案往往在於液滴。

直到最近，科學家們才觀察到它們出現在細胞的各個角落，組裝有時甚至破壞相關的結構。

成千上萬的蛋白和其他分子聚集在細胞質中，在那裡它們彼此間經常互相推擠並執行生命任務：從分解營養物質到釋放能量再到回收廢棄物。

從2009年開始，研究人員發現許多蛋白質濃縮成離散的液滴，特別是當細胞對應激作出反應時。

這種「液-液相分離（liquid-liquid phase separation）」類似於油醋沙拉醬中的油和醋的「分層」，如今是細胞生物學中最熱門的話題之一，這是因為越來越多的證據表明它促進了關鍵的生化反應並且似乎是細胞的基本組裝原理。

由蛋白和RNA形成的液滴是一種新的細胞組裝形式，圖片來自E. M. Langdon et al., Science, 2018。

2017年發表在Nature期刊上的兩篇論文已揭示細胞核中的液體蛋白液滴（liquid protein droplet）有助於基因組中的一些區域保持緊湊，從而讓這些區域中的基因保持沉默。

今年，發表在Science期刊上的三篇論文指出相分離發揮著更大的作用。

它們促進將遺傳密碼從DNA轉移到RNA---蛋白翻譯的第一步---的蛋白能夠濃縮成附著在DNA上的液滴。

儘管其中的細節仍有待解決，但是這些研究揭示了相分離在生命的一個基本過程---基因的選擇性表達---中發揮著作用。

生物物理學家們正在研究這些液滴是如何形成的。

某些類型的蛋白會拖著類似於義大利麵條的尾巴，這些尾巴相互作用，從而促進濃縮產生。

但是當這個過程出錯時，應當為液體的液滴變成凝膠，凝膠能夠固化，從而形成肌萎縮側索硬化症等神經退行性疾病中觀察到的有毒性的蛋白聚集物。

今年3月發表在Science期刊上的兩篇論文發現當這樣的蛋白不正確地從細胞核中排出時，這種情況就會發生。

今年4月，發表在Cell期刊上的4篇論文指出了幾種可能的溶解這些毒性蛋白聚集物的措施，而且如今有幾個實驗室正試圖利用這些知識來發現治療神經退行性疾病的藥物。

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